物理教師の想像力を超えて、摩擦のないデバイスを手に入れるのは困難です。しかし、泳いでいるバクテリアの群れを一滴の水に入れると、まさにそれが実現します。動きに対する抵抗がゼロの流体です。信じられないことに、その抵抗 (または適切に知られている粘度) はマイナスになることさえあり、例えば、熱力学の法則に反するように見える方法でモーターを回転させる自己推進液体を作成する可能性があります。最近の研究では、バクテリアがどのように共謀してありそうもないことをやってのけるかが説明されています。
「通常の液体の場合、全体が不安定になるため不可能です」と、英国のブリストル大学の物理学者であり、新しい研究の共著者である Aurore Loisy は述べています。 .」
物理学者は長い間、風変わりな思考実験であったとしても、ただで何かを手に入れることを夢見てきました。 1860年代、ジェームズ・マクスウェルは、高速の空気分子を部屋の片側に、低速の分子を反対側に移動させて、エンジンに動力を与える温度差を作り出すことができる全知の悪魔を呼び起こしました。 1962 年、Richard Feynman はわずかに実用性を高めて、空気分子に押し付けられると一方向にのみ回転し、モーターを駆動する微細なギアについて講演しました。しかし、そのようなアイデアは、熱力学の第二法則によって打ち砕かれます。この法則は、選別または回転によって熱が発生し、両方のスキームが破滅することを主張しています。詩人のアレン・ギンズバーグが言ったように、勝つことも損益分岐点にもならないことです。
最近、無料のランチは食卓から離れているが、生きた液体を中心に構築されたシステムで安価なスナックが実現可能かもしれないという証拠が増えてきている. 2015 年にフランスのチームが E.大腸菌 水が不自然にぬるぬるになることがあります。液滴を 2 枚の小さなプレートの間に挟み、1 枚のプレートを特定の速度でスライドさせるのに必要な力を記録しました。液体は通常、追加の浮遊粒子 (水と泥を考えてください) を含むとかき混ぜにくくなり、粘性が高くなりますが、粒子が泳ぐことができる場合はその逆になります。溶液が約 0.5 パーセントのとき、E.大腸菌 体積によると、プレートを動かし続けることはまったく力を必要とせず、粘度がゼロであることを示しています。一部の試験では、速度が上がらないようにプレートの動きに少し力を加えなければならなかったときに、負の粘度が記録されました。液体は仕事をしていました。これは、不活性流体にとっては第二法則の違反を意味していたでしょう.
率直な結論は、有機体は、溶液の内部摩擦を中和して超流動のようなもの、つまり抵抗がゼロの液体を生成する方法で泳いでいるということでした。バクテリアは粘性を相殺または克服するために仕事をしていたので、明らかな熱力学違反は錯覚でした.
マサチューセッツ工科大学の数学者 Jörn Dunkel 氏は、「個々の細菌は非常に弱いですが、数には力があります」と述べています。彼は実験には関与していませんでした。
しかし、E.大腸菌 通常、すべてが同じ方向に泳ぐわけではないため、その後の研究では、何が彼らの動きを調整しているのかを突き止めようとしました。 米国科学アカデミー紀要で 7 月に発表された研究によると、1 つの答えです。 、個人間の相互作用です。
ミネソタ大学の物理学者で論文の共著者である Xiang Cheng 氏は、「密度が高くなると、群れができ始めます」と述べています。しかし、魚の群れや鳥の群れに見られる群れとは異なり、E.大腸菌 アニメーションによる反応ではなく、純粋に身体的特徴によって動かされます。
研究者のセットアップはフランスのチームのものに似ていましたが、付属の顕微鏡によりバクテリアの行動を追跡することができました.案の定、E.大腸菌 カクテルは体積で 10 ～ 20% の細菌に達し、渦巻きが形成されました。バクテリアは、顕微鏡で見ると蜂蜜のように濃厚な水の中を進み、衝撃波を発生させ、近くと遠くの仲間を打ち負かしました。
「銀河にたくさんの星があり、それらが互いに影響を与える可能性があるようなものです」と Dunkel 氏は言います。これらの力は、水泳の地元のグループを奨励しました E.大腸菌 丸薬の形をした体を整列させます。
次に、プレートの動きがその局所的な挙動をグローバルにします。トップ プレートをドラッグすると、せん断力が流体に波及し、実際に群れを編成して方向付けます。
「せん断がなければ、群れの方向はランダムです」と Cheng 氏は言います。 「せん断下では、すべてのバクテリアが特定の方向に整列する傾向があります。」
プレートの影響によりバクテリアが平均的な配置に落ち着くのを助けると、バクテリアの遊泳が水を押して、溶液の大規模な特性を変換する局所的な流れを生成します。
Cheng の実験結果は、1 週間前に Physical Review Letters で発表された新しい理論モデルとほぼ一致しています。 . 2015 年の実験を説明するための数学的フレームワークを開発することを目指して、研究者は液晶に使用される方程式を細菌の活動を説明する新しい用語で修正しました。
彼らの理論は、実験で見られた低粘度と負の粘度を再現し、細菌がプレートの圧力下で集合的に複数の安定したパターンで自分自身を配向できることも予測しました.
「実際には 2 つの可能な状態、2 つの可能な平衡解があることがわかります」と Loisy 氏は言いました。
ダンケル氏は、この効果を紙の上端と下端に沿って持ち、両手を合わせることに例えました。紙が曲がると、C 字または S 字に折りたたまれます。その後、リリースされるまで、これら 2 つの構成のいずれかから変更される可能性はほとんどありません。 Cheng の研究は 2 つの大規模な方向性も示唆していますが、彼は両方が異なるグループの細菌に同時に存在し、観察された行動は平均を表していると予想しています。
これらの効果が集合的な超流動的挙動にどのように寄与するかについての詳細はまだ解明されていませんが、微視的なものから目に見えるものへのエネルギーの移動が現実的であり、独特であることについて誰も異議を唱えていません.
「通常、これはできません。液体でモーターに動力を与えることはできません」とロイジーは言いました。
しかし、バクテリアのエネルギーを使えば、どうやらできるようです。
「適切な設定で十分なバクテリアがあれば、実際にバクテリアを動かして構造を動かすことができます」とダンケル氏は述べ、プレートの動きを利用してタービンを回すという興味をそそる可能性を提起します.
パリ南大学の物理学者で共著者の Harold Auradou 氏によると、バクテリアの速度で非常に小さなモーターを駆動することに加えて、他の潜在的なアプリケーションには、地下のチャネルに浸透して石油や汚染物質を押し出す「スマート液体」が含まれます。
もちろん、どう考えても、熱力学の法則は完全に有効です。
「あなたはここで何か魔法をやっているわけではありません」とロイジーは言いました。
2 つの要因により、悪魔やマイクロギアでは成功しないバクテリア ソリューションが成功します。まず、E.大腸菌 それ自体が小さなエンジンとして機能し、水中の糖と酸素からエネルギーを代謝します。それらを動かし続けるために、研究者は栄養素のバランスが適切になるように細心の注意を払っています.少なすぎると、彼らは飢えます。多すぎると怠け者になります。
「彼らはまるで人間のようです」とチェンは笑いながら言いました。
しかし、世界中のすべてのエネルギーは、あまりにもスムーズに分配されたり、まとまりがなかったりすると役に立ちません。システムは、ある場所から別の場所にエネルギーを誘導するために非対称性を必要とします。たとえば、熱機関には高温の流体と低温の流体が必要であり、水力タービンには高いところから低いところに流れる水が必要です。バクテリアの場合、水中の力に反応する細長い形状に帰着します。
「それらが整列しているという事実だけで、好ましい方向があり、対称性が破られています」と Loisy 氏は言います。 「もしそれらが球形だったら、うまくいきません。」
この記事は、Investigacionyciencia.es でスペイン語で転載されました .
